液阻悬置动特性分析与性能优化

刘通 江汇洋 刘艳华 赵晓亮

（1.华晨汽车工程研究院；2.华晨雷诺金杯汽车有限公司）

随着人们对乘坐舒适性要求的不断提高，隔离发动机以及路面向车内振动的传递越来越重要，而液阻悬置作为附带阻尼机构的被动减振原件，能够在不同驾驶工况下提供不同的动态特性，目前广泛应用于汽车领域。大多数研究者针对液阻悬置的研究主要还是依靠试验数据获取参数[1-4]，进而识别参数再去讨论其动态性能，在项目开发早期不能够很好地对性能进行预判。基于以上问题，文章从实车角度出发，将不同路面激励振幅变化考虑到液阻悬置动特性[5]变化中，通过力学模型的建立[6]，引入振幅变化参数，在不同频率段均能最大程度还原真实的液阻原件的变化规律[7]。通过建模以及敏感参数讨论，揭示了内在的变化规律。通过实车对比，使得液阻悬置悬后振动[8]加速度峰值得到很好地抑制[9]，平顺性能得到了提升。

1 液阻悬置力学模型

液阻悬置[10]因其存在橡胶与液体的共同作用而结构复杂。对其进行适当简化，其结构示意图，如图1 所示。

图1 液阻悬置力学模型示意图

当液阻悬置上端受到来自动力总成的振动时，通过液阻悬置自身的减振特性，可以求得悬置车身端响应方程，如式（1）所示。

式中：Fiso——在激励作用下的响应力，N；

ks——液阻悬置主簧阻尼，N·m/s；

cs——悬置主簧刚度，N/mm；

A——等效活塞面积，mm2；

p——上腔体压力，N/mm2；

pu——下腔体压力，N/mm2；

z——振幅变化量，mm。

当上腔体受到垂向激励振动时，上下腔体存在压力差，将惯性通道位移变化与体积柔度变化整合到一起考虑，则：

式中：κ——体积柔度，mm5/N。

ζk为随频率变化的物理量，且与振幅相关，表示为：

式中：λ——频率比；

lk——液压流道长度，mm；

δ——损失系数。

基于式（1）和式（2）推导得到动刚度在复平面的表达式：

至此，在复平面域，获得了考虑振幅变化的动刚度（Cdyn(ω)/(N/mm)）及损失角（φ(ω)/（°））的表达式，如式（5）和式（6）所示。

2 动态特性仿真与验证

2.1 液阻悬置参数获取

在确定液阻悬置主要参数时，流体密度通过实际灌液材质获得，惯性通道面积和长度通过测量提取，上腔体等效活塞面积（A/mm2）可以按照中截面提取，即：

式中：A1，A2——上腔体上、下截面面积，mm2。

在体积柔度的计算中，由于橡胶材料本身具有非线性[11]，在此分析时首先通过一般简化原则，这里假设橡胶材料各方向为不可压缩的超弹性材料，并只考虑橡胶的非线性， 而不考虑其粘弹性， 通过Mooney-Rivlion 材料模型进行计算。

由于解耦膜片受双向内压作用，因此可不考虑解耦膜片的变形，将解耦膜片简化成无孔的弹性薄片，并且与橡胶主簧以共节点的方式连接到一起，材料与主簧材料相同，约束解耦膜片的底部和主簧与悬置上下壳体的连接处，计算模型如图2 所示。

图2 液阻悬置有限元计算网格模型

基于上腔体体积与压力的变化，即可求出体积柔度，如式（8）所示。

式中：ΔV——体积变化，mm3；

p1——压力变化，N/mm2。

其中，计算所需关键参数，如表1 所示。

表1 液阻悬置有限元分析关键参数表

经过仿真计算，液阻悬置体积柔度随压力的变化，如表2 所示。

表2 液阻悬置体积柔度与压力变化规律表

为此，可以得到计算体积柔度的拟合公式，如式（9）所示。

2.2 动态特性仿真验证

液阻悬置在低频大振幅下更能体现其阻尼特性，为此以振幅1 mm 作为激励源，考察动刚度和损失角的变化规律，将计算曲线和实测数据进行对比，如图3 所示。

图3 液阻悬置动刚度及损失角的仿真与试验动特性对比

由图3 可见，试验曲线和仿真曲线差别不大，误差原因是对主簧进行了适当简化，其真实状态具有强非线性，这在仿真分析时也是避免不了的。相对误差在10%～20%是可以满足工程需要的。

3 结果分析与讨论

3.1 等效活塞面积对动特性的影响

等效活塞面积是非结构参数，如上节论述，将整个液阻悬置上部腔体简化成等效活塞面积。图4 示出等效活塞面积对动刚度及损失角的影响。

图4 液阻悬置等效活塞面积变化规律

由图4 可见，当活塞面积增大后，动刚度和损失角峰值都明显增大。在频率变化方面，动刚度在8～9 Hz基本重合，可以认为是频率无关点，而损失角会随着频率峰值增大而减小。对比活塞面积变化规律的意义在于，通过调整悬置上腔等效面积即可改变动特性峰值大小和频率分布[12]。

3.2 液柱流道面积对动特性的影响

液压腔上下腔体靠一个狭长的惯性通道连接，其横截面积对阻尼效应起到很大的作用。图5 示出截面积对动态特性的影响。

图5 液柱流道面积变化规律

由图5 可见，增大流道面积与动特性成正相关，即动刚度和损失角幅值均成正比例增大，频率上也都增大，这是由于惯性效应造成的。另外，频率的正向偏移可以和活塞面积调节时频率变小形成很好的互补。

3.3 惯性通道长度对动特性的影响

惯性通道的长度也会对动态特性变化产生影响。图6 示出液柱长度对动特性的影响。

图6 惯性通道长度变化规律

由图6 可见，随惯性通道长度按比例增大，动刚度峰值增大，但频率同时减小。这是由于加大惯性通道长度相当于增加了质量，所以频率下降。动刚度增加的原因在于，当遇到来自外部的激励时，液体需要经过更长的时间在上下腔体之间流动，动刚度变化会存在滞后，进而导致动刚度峰值的增加。

3.4 体积柔度对动特性的影响

在非结构参数中，体积柔度真实反映了橡胶的变化规律。因橡胶具有超弹性，对其参数提取也有自身的特殊性。图7 示出体积柔度变化对动特性的影响。

图7 液阻悬置体积柔度变化规律

由图7 可见，体积柔度增大会使动刚度和损失角峰值降低，同时伴随频率的减小。其原因是橡胶属于超弹性材料，压力增大导致体积柔度变大，也就是上液压腔体体积变大，进而动特性指标均变小。因此，设计结构要充分考虑橡胶主簧的调节作用。

通过对液阻悬置参数敏感性的讨论可以看出，优化等效活塞面积可以控制动刚度和损失角度的振动峰值，而流道面积、长度和体积柔度则可以同时改变峰值和频率。

3.5 案例应用

某项目开发过程中，为提升驾驶感受与舒适性，在试验场地对液阻悬置隔振特性进行相关实车调校工作，如图8 所示。

图8 液阻悬置调校场景

在此，通过调试方案制作了不同样件进行性能对比，方案如表3 所示。

表3 液阻悬置参数调校方案

测试工况为在试验场地以恒定速度通过搓板路，实车表现垂向振动明显[13]。为此，通过优化结构参数，使其在特定工况下与簧下轮跳频率保持一致，结果优化如图9 所示。

图9 液阻悬置悬后振动

由图9 可见，优化前整车表现舒适性差，垂向振动峰值大，与驾驶员主观感受一致；为此，根据实际结构对液阻悬置等效活塞面积、体积柔度、流道长度、横截面积等参数进行参数优化，详细优化参数，如表3 所示，优化后再次测试整车振动性能，车身侧振动峰值从1.1 m/s2降低到 0.55 m/s2。

4 结论

文章通过流体力学及机械结构特性建立了液阻悬置力学模型，推导了动刚度及损失角计算公式，并将振幅变化因子考虑到模型中，对参数进行敏感性讨论，将参数变化与动特性指标的调节联系起来，在项目开发过程中可以更早地进行性能分析和成本的控制。具体研究结果表明：

1）基于力学模型推导了动刚度和损失角的具体计算表达式，并在模型中考虑了振幅变化因素，可以更好地体现不同特征路面的激励响应；

2）通过结构参数和非结构参数敏感性分析及讨论，将等效活塞面积、流道长度、流道截面积、体积柔度与动特性的峰值和频率建立对应关系，可以通过调节参数实现对振动峰值和频率的把控，对于悬置的匹配调校具有指导意义；

3）实车测试表明，合理的结构参数优化确实能够改进液阻悬置动态特性，振动峰值从1.1 m/s2降低到0.55 m/s2，振动峰值降低了50%。